基于数理统计的前舱盖铰链加强板设计

张保林，欧阳钊，徐振东，蔡姗姗，崔柳燕

福特汽车工程研究（南京）有限公司，江苏南京 211106

0 引言

铰链加强板主要通过铆接或者焊接的方式与前舱盖内板相连，同时为前舱盖铰链提供固定点，起加强固定作用。前舱盖通过铰链与车身相连，在车辆行驶过程中，受车身扭转与振动等工况的激励，会发生各个方向的扭转、振动等，导致前舱盖铰链加强板处所受的应力相对集中且较大。整车开发对减重、降本、开发周期等方面的要求越来越高，使铰链加强板也逐渐成为前舱盖系统开发的难点与痛点[1]。为了使铰链加强板的设计达到要求，本文从铰链加强板在历史开发过程中的经验教训出发，结合某公司上市车型的数据统计与分析，总结出前舱盖外板与铰链加强板外观尺寸之间的关系，借助其在新开发车型当中的成功运用，为整车的降本增效提供合理的方法借鉴。

1 铰链加强板的案例介绍及数据统计研究

在项目开发初始阶段，新开发车型铰链加强板的原始设计尺寸参考了同平台车型的铰链加强板尺寸（表1）[2]。在前期的CAE分析中，该车型的前舱盖模态与抖动量分析指标无法满足要求[3]。鉴于此，本文进行了设计数据的反复迭代与CAE分析验证，最终在前舱盖内板主体结构不调整的前提下，将其H1的尺寸从最初的90.0 mm不断加大到160.0 mm，L2的尺寸也从原始的213.7 mm加长到278.4 mm，满足了前舱盖模态与抖动量的分析指标。图1为前舱盖总成的基本结构。

图1 前舱盖总成的基本结构

表1 新开发车型铰链加强板的关键尺寸与CAE分析结果对比

从历史开发的经验教训出发，为了有效降低此问题的发生率，同步快速求出铰链加强板最优设计参数。现对已上市30款车型的前舱盖外板与铰链加强板相关尺寸进行了统计与研究[4]，见表2，旨在探索各相关尺寸之间的关系，并同步运用Minitab进行数据的理论分析。

表2 已上市30款车型的前舱盖外板与铰链加强板相关尺寸

研究30款车型的数据可以发现，随着前舱盖外板尺寸L1不断增加，对应的前舱盖铰链加强板尺寸L2、H1也存在不断增加的趋势（确定前舱盖铰链选型后，H1的值为定值）。因此，对L1、L2、H1进行相关分析，判断三者之间是否存在具有统计学意义的关系。对L2与L1、H1进行回归分析，结果见表3。L2～L1及L2～H1对应的P值均小于0.05，说明数据差异显著，具有统计学意义，可得出L1、H1是影响L2的关键因子,与经验猜想相吻合。

表3 L2与L1、H1的回归分析结果

进一步做回归分析，建立回归模型y=f（x），回归分析结果见表3，回归方程的P值小于0.05表明回归方程有效。R-sq（调整）大于80%，说明此回归模型L2=-192.6+0.2714L1+0.794H1对L2的变异解释效果很好，即回归方程拟合有效。同时，由图2可见，L2残差无任何异常。综上所述，所建立的回归模型拟合效果很好。

图2 L2残差图

运用此方法，根据以往的开发经验同步探索W2与S1、W1之间的关联，见表4。W2与S1间的P值小于0.05，说明S1是W2的显著影响因子。但W2与W1间的P值为0.382，大于0.05，说明W1对W2的影响很小。故应将W1从回归模型中删除并重新拟合模型，见表5，得到新的回归方程W2=3.2+0.000077S1，重新拟合后的方程R-sq（调整）的拟合效果变好，同时P值与残差分析无异常，故删掉W1。但R-sq（调整）为65.67%，说明A面造型（关联外板抗凹）、密封面等噪声因子对W2的影响也较大，但考虑到此因子无法具体量化，故将其作为影响W2的噪声因子进行控制，不纳入回归模型。

表4 W2与S1、W1的回归分析

表5 W2与S1的回归分析

2 在新开发车型的实际运用

在新项目的开发过程中，根据统计分析总结出来的回归方程以及在铰链加强板设计过程中的实际运用情况，通过不同阶段CAE的分析验证得出，前舱盖板与铰链加强板相关联的CAE分析项均合格。前舱盖模态与抖动量的分析结果见表6和图3[3]，充分说明回归方程的合理性。另外，同步对比了不采用此回归方程而是运用benchmark同平台铰链加强板进行的设计，该设计中尽管与铰链加强板相关联的CAE分析项也合格，但其单车重量增加了126.8g，单车成本预计增加2元左右，导致其设计过剩，造成重量与成本的浪费，详见表7。

图3 前舱盖抖动量分析位置

表6 前舱盖模态与抖动量分析结果

表7 铰链加强板前后设计对比

3 结论

通过研究理论数据及其在新开发车型的实际运用，可以总结出前舱盖外板与铰链加强板可基本满足线性回归方程：L2=0.2714L1+0.794H1-192.6（铰链选型确定后，H1为定值）与W2=7.7×10-5S1+3.2。该结果可以作为铰链加强板外形尺寸设计参考，以减少设计迭代。对比不同设计方案的CAE分析结果可有效降低铰链加强板的设计重量与成本，以达到整车减重将本的目的[5]。鉴于数据统计的不断增加与完善，其线性回归方程也在不断地得到修正，再加上一些潜在的影响因子无法具体量化，导致计算结果可能有一定的偏差。但总结出的回归方程对铰链加强板的设计具有很好的借鉴意义，希望能给从事相关技术的开发人员提供帮助。